在石化燃料日益枯竭、全球能源危机日趋加重的今天，能源紧缺和环境污染已经成为世界各国面临的两大主要难题。未来科技与社会发展对资源的竞争，尤其是对来源丰富、可再生且无污染的生物质资源的竞争日趋激烈。然而，目前全世界对生物质资源，尤其是以农林废弃物为主的纤维副产物利用率却很低，每年因农林废物焚烧、填埋等造成的经济损失与环境污染不可低估^[1]。为缓解经济发展与能源及环境之间的矛盾，生物质固废的资源化利用势在必行。

生物质固体废物是指固体废物与生物质资源两项概念的交集，简称生物质固废。生物质固废来源于动植物、可以被微生物生物降解的固体废物。根据产生源的特点，生物质固体废物可以分为种植业生物质固体废物、养殖业生物质固体废物、林业生物质固体废物、工业生物质固体废物、城市生物质固体废物和农村生物质固体废物等^[2]。生物质固废中蕴含大量的生物质能，若能有效利用，对实现环境和经济的可持续发展有重要意义。微生物在生物质能源的转化和利用上起桥梁的作用。随着世界各国经济与环保产业结构及相关政策的调整，以生物质固废为原料，利用微生物转化技术和相关生产工艺生产能源、化工产品和材料，替代或部分替代传统的以化石资源为原料的化工加工工程，成为近年来各国科学家高度关注的课题。

根据生物质固废相关处理技术及生物质固废资源化成果转化，本文总结微生物降解生物质固废的有关处理技术及应用。在综合国内外现有研究成果的基础上，以木质纤维素类生物质固废为例，从微生物种类和生物质固废资源化成果转化两个方面对微生物降解木质纤维素类生物质固废有关技术进行分析，提出每项技术存在的问题，展望每项技术的发展前景。该项研究结果对加快微生物降解生物质固废技术的发展、生物质固废的资源化成果转化有积极的推动意义。

1 降解木质纤维素类生物质固废的微生物种类

木质纤维素类生物质固废主要由纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、脂肪等物质组成，根据降解底物的不同及学者公认的分类法，微生物可分为纤维素微生物、半纤维素微生物和木质素微生物。它们在自然界中分布广泛，种类繁多，在适宜条件下能大量繁殖。

1.1 纤维素微生物

细菌、真菌、放线菌和一些原生动物是降解纤维素的主要微生物。能降解纤维素的细菌以纤维粘菌(Cytophaga)和纤维杆菌(Cellulomonas)为主；放线菌以纤维放线菌(Acidothermus cellulolyticus)、诺卡氏菌属(Ncardiac)和链霉菌属(Streptomyces)为主^[3]。因放线菌能耐高温和各种酸碱度，目前国内外许多研究者正致力于极端环境下放线菌产纤维素酶的研究。真菌的纤维素酶系为全酶系，纤维素酶降解活性较强，目前国内外对真菌降解纤维素的研究报道较多。近几年通过筛选新菌种，目前已有的能降解纤维素的微生物有200多种，主要集中在产高酶活的菌株和耐极端环境的产酶菌株上面。随着生物工程和基因工程的发展，从20世纪80年代起，借助生物学手段对筛选出的菌株进行诱变育种得到理想菌株，利用基因工程技术将纤维素酶的基因克隆到细菌、酵母菌、真菌和植物中，国内外都取得一定成果：目前已从大多数细菌和少数真菌中克隆得到了纤维素酶基因，并构建了一些酶的基因库。现今，里氏木霉、根霉、绿色木霉、青霉等真菌、嗜纤细菌和反刍动物瘤胃细菌等是广泛应用的纤维素酶产生菌，其中里氏木霉、白腐真菌和绿色木霉应用最广^[4]。为了克服纤维素高效降解菌的产酶单一，纤维素分解产物纤维二糖与葡萄糖抑制纤维素酶的活性以及阻遏纤维素酶的合成，培养液pH下降快且pH偏低而无法恢复到适合微生物生产的条件等问题，利用各种菌种的协同作用高效降解纤维素类物质越来越受到人们的重视。

1.2 半纤维素微生物

大多数细菌、真菌(如黑曲霉菌和木霉菌)、放线菌(卷须链霉菌、青紫链霉菌、橄榄绿链霉菌)和瘤胃微生物是降解半纤维素的主要微生物。半纤维素结构复杂，木聚糖和甘露聚糖是半纤维素的主要组成成分，而有些微生物只具备内切葡聚糖酶，缺少外切葡聚糖酶，对半纤维素的降解能力很弱。20世纪80年代，人们在海洋中分离得到产半纤维素酶的耐极端环境的微生物；20世纪90年代筛选、驯化、纯化分离极端微生物，如产耐热纤维素酶的微生物，利用PCR-DGGE和系统进化树等技术对微生物种类鉴定、命名并不断完善；随着人们对半纤维素微生物及酶的研究不断深入，借助基因工程技术，开发极端高效、高酶活的微生物，获得酶基因、基因克隆、基因表达会成为各国的研发热点^[5]。

1.3 木质素微生物^[6]

细菌、真菌及某些病毒是降解木质素的主要微生物，以真菌的降解起主要作用。根据木质素类型，降解木质素的细菌主要有：厌氧梭菌(Clostridium)、假单胞菌属(Pseudomonas)、双芽孢杆菌属(Amphibacillus)、微球菌属(Micrococcus)等。降解木质素的放线菌主要有：链霉菌属(Streptomyces)、高温放线菌属(Thermoactinomyces)、诺卡氏菌属(Nocardia)和褐色高温单胞菌(Thermonospora fusca)等，因这类放线菌分泌的木质素降解酶都是胞内酶，在木质素降解中不起主要作用。降解木质素的真菌主要有：白腐菌、褐腐菌和软腐菌，其中以白腐菌的降解能力最强最有利用价值，常见的白腐菌有黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、射脉菌(Phlebia radiata)、凤尾菇(Pleurotus pulmonarius)、变色栓菌(Trametes versicolor)、采绒革盖菌(Coliolus versicolor)、朱红密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)等，国内外对黄孢原毛平革菌的研究最多，该菌广泛分布于北美，中国还未有报道发现；褐腐菌和软腐菌对木质素降解能力差，近年来报道较少。

1934年，Boruff和Buswell首次发现能降解木质素的微生物种群后；1984年，Tien和Kirk在黄孢原毛平革菌中分离出一种需要H₂O₂参与降解木质素的木质素过氧化物酶(LiP)、Kuwahara首次分离得到第二种细胞外依赖H₂O₂的锰过氧化物酶(MnP)之后，人们对木质素降解酶的有关研究增多；目前关于木质素降解酶的研究主要集中在白腐菌所产生的酶系，研究最多并被公认为最重要的三类木质素降解酶：MnP、LiP和漆酶(Laccase)^[7]。随着基因工程的深入发展，微生物酶活性营养调控机理(碳源、氮源、诱导物和表明活性剂等因素)和分子生物学(有关DNA序列鉴定及表达、基因工程、重组基因的异源表达等)方向是国内外学者的主要研究内容，且成果颇多。木质素降解酶系非常复杂，其对木质素降解的机理(酶如何使氢键断裂导致木质素降解)至今仍无合理解释。国外有学者尝试利用混合发酵方法提高木质纤维素类酶活活性的探索，但都是较为简单和随机的混合。为寻找木质素降解规律构建微生物快速降解体系、利用基因重组手段构建高效高酶活工程菌株是未来木质素微生物发展的方向。

2 微生物降解木质纤维素类生物质固废的技术

微生物降解木质纤维素类生物质固废的技术包括：能源化、肥料化、饲料化和材料化。1912年在自然界中筛选出能降解纤维素、木质素的微生物；20世纪60年代开始广泛研究，重点是筛选、分离、纯化能降解不同底物的菌种，并进行菌种分类、微生物降解机理的研究与完善；70年代后，重点是开发新能源、防治环境污染；目前，随着纤维素酶菌株选育及酶的合成调节调控不断细化、纤维素酶降解机理不断完善，各国利用微生物降解生物质固废获取化工、肥料、饲料、甲烷等新能源产品成果丰硕^[8]，并在环境治理方面独树一帜。

2.1 能源化 2.1.1 液态燃料：(1) 生物乙醇，是以富含淀粉、糖分的生物质固废为原料，经过预处理，水解、发酵和蒸馏提纯后制得。通过微生物分泌能降解纤维素、木质素的酶进行酶水解以其高转化率成为最好的水解方法被利用。随着生物燃料技术的不断升级，生物乙醇的研究取得很大进步，生产生物乙醇的能效性、经济性、实用性都有所提高。当前及未来的发展重点是：优化运行工艺、通过基因手段培养高效降解菌株及产酶菌株、开发副产物降低运行成本、原料预处理提高转化率^{[9, 10, 11]}。目前国内外已建成的生物乙醇工业示范装置很多，代表的有美国杜邦公司、BP公司等；国内河南天冠企业集团有限公司、山东龙力生物科技股份有限公司、中粮生化能源肇东有限公司等。示范装置的应用技术主要有：硫酸/酶水解-发酵技术(即水解酶解二段法)、硫酸水解-酶解发酵技术、酶水解-发酵技术、酸水解-发酵-酯化-加氢技术。水解后生成的糖组主要是葡萄糖、木糖、半乳糖等可溶性低聚糖，此外还有酸、醛等物质。因酸、醛类对微生物发酵有抑制作用，对发酵工艺的选取与改进是重点，NREL (美国可再生能源实验室研发)、Iogen (加拿大Iogen公司研发)和NEDO (荷兰TNO公司研发)是目前最先进的3种生物乙醇生产工艺^[12]。考虑到生物乙醇能量密度低，含氧量高且易吸收管道中的水分和杂质、对管道有腐蚀作用，工业化生产、运输会对输送管道等设备要求很高，促进了研究者对生物丁醇的开发。

(2) 生物丁醇，微生物发酵法生产。最早始于1913年，为制造炸药、涂料，英国率先进行丙酮丁醇的生产，它以玉米、木薯等物质为原料水解得到发酵液，然后在丙酮-丁醇梭菌作用下发酵制得。20世纪因生产生物丁醇工艺的局限性及产品推广利用受阻，生物丁醇的研究几起几落。目前，国外对发酵法生产生物丁醇的研究较深入，在生产工艺改进、筛选高效优势菌种方面的成果很多，进入规模化生产较早：如美国Cobalt科技公司^[13]开发的连续生物丁醇生产工艺，基于微生物菌种筛选、生物反应器设计与过程工程开发，将纤维素原料经水解、糖化、发酵及分离得到生物正丁醇，于2009年在旧金山湾地区建设中型生物丁醇装置用于生产油漆等涂料。国内对发酵法生产生物丁醇的研发还处于起步阶段，不同底物用于生产丁醇及微生物育种方面的报道较多，但进入规模化生产的企业较少，且工厂主要分布在高产粮食作物的地区。考虑到生物丁醇的转化率低，在经济、能源储备角度国内还不具备大规模推广利用的条件。表1为三代生物乙醇和生物丁醇的发展比较。

(3) 生物柴油^{[14, 15]}。以大豆、油菜籽等油料作物、油粽等油料林木、微藻等水生植物、动物油或餐饮垃圾等为原料，通过合成作用得到的脂肪酸酯。生物酶法是化学法制备生物柴油中的研究热点，它经过酶催化作用得到，方法主要包括：游离脂肪酶法、脂肪酶固定化技术和全细胞催化技术。表2为3种生物酶法的比较。

生物酶法制备生物柴油以其清洁、环保、高效等优点在各国发展迅速：国外如欧盟、加拿大、美国、日本等国的生产技术较先进，对生产工艺、过程优化、筛选高效菌株方面领先世界水平；我国在这方面刚起步不久，相关配套政策及生产生物柴油的产业链还未形成；优势高效工程菌株构建等深入研究还有待发展。

2.1.2 气体燃料：(1) 生物制氢^[17]，指生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制得。在众多制氢方法中，生物制氢技术以其成本低、能耗低的绿色生产技术备受关注。它包括暗发酵生物制氢技术、光生物制氢技术和暗-光发酵耦合制氢技术。涉及的微生物有：暗发酵细菌、光解微生物和光发酵细菌。表3为3种生物制氢技术的比较。

用于生物制氢的原料来源广泛，如农作物秸秆、林业废弃物、藻类、污泥、畜禽粪便、厨余垃圾等，对它们的降解过程通常由多种微生物协同作用完成，利用混合菌种进行生物制氢是近年来的发展热点。但生物质固废的理化性质决定了制氢过程的进度及效率，筛选优质产氢原料、原料深度预处理及筛选微生物菌种是重点。为了寻求高效产氢细菌，在新菌种的筛选、分离、培育方面，国内外研究成果较多，主要是兼性的肠杆菌科、专性厌氧的梭菌科和高温菌属等。如2003年哈尔滨工业大学对发酵产氢细菌B49生理特性及固定化应用进行研究，并初步建成大学科技园生物制氢产业化示范基地，使工业化生物制氢技术在世界范围内扩展研究成为可能。在制氢工艺研发方面，为满足工艺高处理要求，改良反应器、改善工艺运行与调控、优化反应条件仍是目前的研究重点。如现有的制氢方法均不能突破低温限制，哈工大任南琪教授带领的生物制氢研究小组基于最新的微生物电化学辅助产氢技术，通过改进系统启动策略率先实现了低温(4°C)生物制氢，突破了传统生物制氢技术的温度限制^[21]，同时产甲烷菌得到了良好抑制，为寒冷地区生物制氢技术开发应用提供了一个崭新的思路。未来生物制氢的发展方向：筛选高产菌株；设计合理的产氢工艺提高产氢效率；深入研究制氢过程机理；优化产氢稳定性和连续性；混合细菌发酵制氢过程中彼此之间的抑制、发酵末端产物对细菌的反馈抑制等。

(2) 沼气厌氧发酵技术^[22]，又称为厌氧消化产甲烷技术，简称厌氧消化(Anaerobic digestion，AD)。它是以农作物秸秆(如玉米秸秆、麦秸、蔗渣、稻秸等)^[23]、城市污泥^[24]、厨余垃圾及动植物粪便^[25]等为主要原料，在厌氧条件下经种类繁多、数量巨大、功能不同的微生物分解代谢过程，最终产甲烷的过程。学者普遍认可的厌氧消化理论为：三阶段理论，即水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段。主要涉及的微生物：水解细菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌。从20世纪70年代的能源危机和20世纪80年代的厌氧消化系统商业化应用之后，厌氧消化产甲烷技术仍在不断发展并完善^[26]，国内外工业化规模实例应用较多。针对提高产甲烷量及固废利用效率，国内外学者目前的研究重点是：筛选高效、极端环境下的产甲烷菌，根据基因工程和分子生物学方法构建工程菌库；通过发酵原料及配比调控C/N、优化微生物营养源类型及投放比例；拓展不同消化底物、深入研究底物的各种预处理技术及降解规律；产甲烷装置的改进、优化及工艺参数调控；沼气纯化及应用；优化沼气工程政策、技术及运行管理等。

对产甲烷菌的选育，国外对产甲烷菌的核酸序列、酶及菌株系列鉴定等工作研究比国内深入^[27]，早在1899年，俄国科学家Omelauskie就对厌氧分解纤维素的微生物进行分类；1991年，美国奥勒冈(Oregon)产甲烷菌保藏中心编印的产甲烷菌菌株目录是当时最完善的；目前，产甲烷菌共有5个目，分别是甲烷杆菌目、甲烷球菌目、甲烷八叠球菌目、甲烷微菌目和甲烷超高温菌目，分离鉴定的产甲烷菌已有200多种并在不断扩展中^[28]。山东大学微生物研究所在微生物分子生物学及其遗传改造、特殊微生物资源与微生物生态及微生物生理生化特性方面水平先进，筛选出了几株极端产甲烷菌，并在产甲烷菌生理生化特性上成果丰硕。

针对单一菌种产甲烷的有限性，生物强化技术结合厌氧发酵产甲烷^[29]是近年来发展的研究热点之一。它针对发酵系统某一限速步骤，人为投加某种特定功能的微生物，能有效降解底物，提高木质纤维素的水解效果、沼气发酵速率及产率。反应过程依靠高效降解菌的单菌或混合菌与产氢产乙酸菌、产甲烷菌的协同作用，将农作物秸秆、人畜粪便、城市有机垃圾等底物进行降解，最终获得甲烷气体。目前该联合技术依旧存在许多问题，未来发展的方向是：构建合理的微生物群落，强化功能菌在发酵系统中的适应能力及稳定性；联合底物预处理技术，加强菌种、培养条件和木质纤维素原料之间的关联^[30]；减少培养过程中大量综纤维素的损 失^[31]等。

适合厌氧消化的底物来源广泛，目前研究较多的底物是厨余垃圾、城市污泥和农林废弃物。因厌氧消化对温度、pH、碳氮比、发酵料液浓度、生物质固废的物化性质等有特殊要求，导致系统启动慢、产气率低的原因^[32]有：① 有毒抑制物(如NH₄⁺、H₂S)的产生和积累；② 底物水解速率慢；③ 现有工艺不能满足秸秆高效厌氧消化的需求，中试反应器设计困难等。针对厌氧消化技术的缺陷，基于小型、中型规模化应用为基础的厌氧消化产甲烷技术，未来的发展方向有：对厌氧发酵的工艺控制理论和技术条件进行深入研究；扩大原料的来源，探索不同基质的发酵原料及配比，联合厌氧消化^[33]；驯化微生物以适应抑制物的浓度^[34]、与其他方法联合去除或抵消抑制物的产生^[35]；深入研究原料的预处理方法^{[36, 37, 38]}，便于微生物的水解发酵；筛选及利用基因技术优化产甲烷效率高的菌种及复合菌系；生产设备标准化、规模化，提高产沼的经济效益；建立完善配套的后续废液废渣的处理系统，满足环保要求；深入研究低温生物甲烷化过程，重点是嗜冷产甲烷菌在微生物生理学与分子生物学上的研究，开发出适用于低温的生物质甲烷化应用技术^[39]。

(3) 合成气的微生物利用技术。合成气的微生物利用技术，是将生物质气化技术与微生物法结合，将合成气送入生物反应器中与微生物反应生成各类所需的物质，最后由生物膜或其它方法将产物与其他物质分离。目前，合成气的微生物利用技术还在不断发展中：国外对其研究方法及制备工艺都较成熟，有的已投入商业运行，朝着规模化、集成化、自动化方向发展^[40]：如新西兰Lanzatech公司使用具有专利权的微生物能将城市垃圾、工业有机垃圾、废木料等经生物质气化后的90%以上的能量用于液态燃料发酵；Coskata对木屑、玉米秸秆、城镇垃圾等各种生物质进行气化，过滤合成气体后把其通入发酵反应器中利用微生物发酵，用膜分离技术把乙醇与发酵液分离，最终得到的乙醇纯度高达99.7%。国内合成气的微生物利用技术起步较晚，但经过多年发展也有所收获：山东大学、中国农业科学院作物科学研究所等科研单位在国内分别建立多处示范工程；在微生物的筛选、诱变育种、利用基因工程提高产酶量方面成果显著。合成气的微生物利用技术借助微生物酶的高效选择性能减少副产物的发生和提纯成本；经驯化后的许多微生物具有耐毒性，可以降低合成气的净化成本^[41]。但该技术关于发酵设备优化改良、提高产品回收率、利用基因工程优化菌种等方面的研究，在国内外还甚少报道。

2.1.3 纤维素用于MFCs产电：生物质固废作为微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)的能源底物，利用微生物作为催化剂，加入纤维素水解酶或将降解纤维素的微生物与产电微生物共培养，具有处理废弃物和联产电能双重功效，它为生物质固废的利用提供了新的途径，是生物质固废资源化的重要发展方向^{[42, 43]}。随着构建优势菌株、优化系统构型与材料、完善微生物电子传递机制、提高系统输出功率、研发低成本高性能电极以及催化材料等方面的进展不断深入，生物质固废作为燃料底物的MFC转化为产业化生产已成可能。

目前国内外对于以纤维素为原料制作纤维素燃料电池的研究主要还处于实验室探索阶段，大中型产业化应用实例鲜见报道。底物类型与浓度对MFC的产电性能至关重要，农林资源(农作物、木材等)、工业有机废弃物(造纸废物、酒精发酵残渣等)、城市垃圾(厨房垃圾、纸屑等)等生物质固废均可作为燃料用于MFC产电。以纤维素、半纤维素类物质为原料，借助物理、化学方法破坏生物质表面结构，采用天然菌群进行生物预降解或通过添加简单有机物进行底物强化，提高MFC输出功率及底物的降解速率是当前研究热点之一^{[44, 45]}。利用微生物燃料电池耦合其他技术转化生物质能的研究是另一研究热点，如Catal等^[46]构建了MEC-MFC耦合系统，借助MFC产生的电能驱动MEC生产氢气；Rozendal等^[47]借助太阳光驱动的绿藻生长-厌氧消化-MFC组合反应器，构建了植物-微生物燃料电池耦合系统。考虑到实验室规模一旦放大，MFC功率密度容易降低，未来在MFC结构反应设计、电极材料选择、筛选高效降解生物质固废的极端微生物及驯化等方面还存在很多问题，这也成为制约MFC发展的重要瓶颈。MFC未来的主要发展方向是：提高底物利用效率、使MFC的成本可控及输出功率稳定、新型电极材料的研发。

2.2 饲料化

针对含高木质纤维素含量的农林废弃物、树叶、中药渣等生物质固废，随着对纤维素原料新型预处理技术、固定化酶及固定化细胞技术、高产菌株的选育、发酵条件优化、菌种筛选及新型生物反应器的研究不断深入，利用木质纤维素原料制备各种饲料的发展近年来备受重视。现研究较热的有青贮技术^{[48, 49, 50]}、微贮技术、蛋白生物饲料技术^{[51, 52]}。

以青贮技术^{[53, 54, 55]}为例，国内外的研究起始较早，它是借助植物表面自然附生的微生物，通过厌氧发酵转化青绿饲料为乳酸、乙酸等有机酸保存农作物养分用于畜牧业。常见的微生物有：乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌、乙酸菌、梭状芽胞杆菌等形成的微生物共生体系，微生物以乳酸菌为主。它们将新鲜的青绿饲料转化为乳酸、乳酸菌素、青贮饲料、乳酸菌制剂等产品，再经过分离纯化等过程生成医药、食品产物。目前青贮生产的优点是操作简单、产量高、产物易分离、生产设备要求低。但也存在对饲料季节性要求高、生成的产品菌种单一、与其它技术联合应用少、贮存期短、活菌数低的缺点。针对青贮存在的不足，国内外学者更加关注筛选培养合适的同型乳酸菌，以提高微生物酶活；深入开展乳酸菌等微生物的分子生物学研究；调节贮料内微生物区系；调控发酵过程，促进多糖与粗纤维的转化。未来的发展趋向是优化乳酸发酵工艺、改进发酵设备、优化产物分离效果；扩大工业化生产；扩大乳酸应用领域、降低成本、增加附加值。

2.3 肥料化

生物堆肥法是一种古老而又现代的有机固废生物处理技术。它是在细菌、放线菌、真菌等微生物的作用下，通过降解有机物产生高温，从而达到杀死病原菌、无害化和促进有机质稳定化、腐殖质化的过程。针对餐厨垃圾、污泥、动物粪便等含大量营养元素和有机物质的生物质固废，生物堆肥是微生物降解生物质固废的重要方法之一。随着堆肥技术的不断完善，目前国内外已有很多成熟的堆肥技术，分类很多。常见的，按照微生物需氧情况分为好氧堆肥和厌氧堆肥；按有无发酵装置可分为开放式堆肥系统和发酵仓堆肥系统^[56]。

以好氧堆肥为例，它是利用好氧菌、兼性菌和厌氧菌的协同作用，在好氧条件下将动物粪便^[57]、城市生活垃圾、餐厨垃圾^[58]、农林废弃物和污泥^[59]等作为底物，将生物质固废降解为肥料的过程。

因微生物活性的高低直接影响堆肥效果，除了常规筛选、分离、鉴定高产高酶活微生物以及对好氧堆肥工艺有关技术的改进外，选取合理的微生物检测方法是近年来国内外学者的研究热点之一。20世纪30年代开始随着生物分子学研究的不断深入，在传统计数方法基础上，结合现代生物学方法和现代分子生物学技术，微生物检测方法的发展如表4所示。

堆肥过程中物料之间、物料与微生物之间、微生物内部会发生物理的、化学的、生物的变化。建立合理的数学模型，模拟生物堆肥过程中的有机质降解过程、温度水分等变化过程，这对提高堆肥效率和改进工艺有重要指导意义。表5为好氧堆肥模拟过程的数学模型。

虽然好氧堆肥技术成熟、应用范围广，但依然存在以下问题：适合发酵的优良复合菌株较少；生物质固废需要预处理；设备和运行成本高；工业化生产中堆肥臭气的处理；堆肥产品使用的局限性导致堆肥的营销困难；堆肥过程中其他致病因子的处理与再生预防等。针对该技术的缺陷，未来发展的方向：微生物的筛选、扩大培养、菌种保存；堆肥反应器的改进；工艺条件控制、优化；堆肥添加剂的应用；降低设备成本和运行费用；堆肥工业化设计。

2.4 材料化

以生物质材料为原料生产各类化学、燃料和生物基材料的工业生物过程中，生物炼制技术^{[63, 64, 65]}是未来生物产业的核心。生物炼制的核心是借助微生物细胞或者酶的手段，经过一系列的生化反应，将各类生物质原料高效地转化为各种材料(如2,3-丁二醇、D-乳酸、L-乳酸、5-羟甲基糠醛等的生产)。目前国外该技术发展最快，理论研究深入、工艺成熟，如加拿大、巴西、美国等国际有些已投入工业化使用；我国生物炼制技术起步较晚，成果主要集中于各大高校，在微生物的上游领域如细胞工程、基因工程等领域和世界先进水平差距较小，但在工业生物技术的过程科学基础研究方面与国外有较大差距，尤其是过程放大原理和方法。目前我国在生物炼制技术方面的缺陷有：生物技术新产品的转化能力差，缺少有自主知识产权的产品中试、放大技术平台，不能迅速把实验室成果转化为工业产品，致使我国许多工业生物过程与发达国家相比存在能耗高、资源综合利用率低、环境污染严重、产品质量差，工业放大周期长等问题^[66]。

利用生物炼制技术处理可再生生物质原料生产多元醇、医药、食品(如木糖醇等)和化工产品(有机酸、丙酮-丁酸发酵等)，为提高生物质资源的利用能力和产物转化效率，满足工业生产需要，以基因组学及生物学为基础的多项技术交叉发展，构建工程细菌、细胞工厂是实现这一目的的重要方法。未来生物炼制在构建微生物功能基因组、高效降解菌株筛选、代谢机理研究及生物反应器工程有关方面的发展会继续深入。

2.5 在环境保护中的应用

利用细菌、真菌等微生物对受污染的水体及土壤环境的治理，国内外的研究成果颇多。近年来利用白腐真菌治理环境是人们研究的热点之一。白腐真菌^[67]是一类具有相同功能，能引起木质白色腐烂的丝状真菌的集合，广泛分布在自然界。它属于真菌门，绝大多数为担子菌纲，少数为子囊菌纲，能分泌降解木质素、纤维素的酶，将木材腐生成海绵状，根据真菌团块颜色将其分为白腐真菌和褐腐真菌两类^[68]。20世纪70年代在“Science”首次报道白腐真菌降解作用后，目前对白腐真菌的研究遍及全球，对白腐菌的降解机理研究方面，国内比国外的研究滞后。对白腐真菌的诸多研究表明，菌被引入污染系统后，它能利用自身的胞外降解系统对具有营养限制的外界刺激做出应答反应，形成一套酶系统^[69]，表现出非专一性的降解性能，能有效降解废水及土壤中各种复杂的、难处理的有机物(多氯联苯、多环芳烃、哚吲、DDT等)，因而在污染治理方面应用前景广阔。国内利用白腐菌应用于染料废水的处理^[70]、对含酚废水的处理^[71]、受石油烃污染的水体及土壤的处理^[72]等方面研究较多，有的已进入中试阶段。未来利用木质纤维素作为底物，结合固定化方法^[73]等手段用于更广泛的环境治理是可行的研究方向。

3 存在的问题与展望

综上所述，借助高效的现代处理技术及自然界广泛存在的微生物，开发、利用生物质固废中的生物质能，相比于物理、化学的方法有无可比拟的优势与发展前景。目前国内外针对微生物降解木质纤维素类生物质固废有关处理技术还存在的问题有：(1) 系统微生物学和微生物功能基因组学的发展与应用，例如筛选高效降解菌株，利用基因工程诱变育种、构建工程菌株、提高产酶量等；(2) 对工艺控制理论和过程参数调控进行深入研究；(3) 扩大原料的来源，深入研究原料的预处理方法；(4) 提高产物分离、纯化效果；(5) 建立完善配套的后续的处理系统以满足环保要求；(6) 改进生产设备，扩大工业化生产；(7) 降低成本、增加产物附加值。

尽管微生物降解木质纤维素类生物质固废有关处理技术还有许多瓶颈需要攻克，但国外在有些方面的成果却很显著：如美国在系统微生物学、植物与微生物功能基因组学研究方面居于世界前列^[74]；德国、日本、法国等发达国家在政策引导、企业生产装置研发等方面也都处于世界领先水平。适当的借鉴美国等发达国家在木质纤维素类生物质固废研究方面采取的有效措施及规划，这对我国未来构建有关木质纤维素类生物质固废资源有效利用的框架有重要的参考意义。

如图1所示，我国未来构建有关木质纤维素类生物质固废资源有效利用的框架主要可从以下几方面进行^[75]：

(1) 为解决木质纤维素类生物质固废资源分布散、集散能力差的问题，我国可借鉴日本和德国处理城市固体废物的经验，从源头进行分类、回收、集中处理。例如，在农村，以村/镇为单位，设立站点集中回收处理，将分类回收后的木质纤维素类生物质固废移至固定地点，做好防渗、防漏的措施再集中处理；在城市，可按产品废旧硬纸板、办公垃圾、绿化植物垃圾等进行分类回收等。逐步形成控制源头为先，能源化和肥料化其次，饲料化和材料化随后的多层次木质纤维素类生物质固废管理、处理模式。

(2) 参照美国能源部和美国农业部有关政策、法令，建立健全促进生物质能开发利用的综合能源、农林、环保3个部门和强制性规制、经济鼓励、公共研发三类措施的政策体系。

(3) 为解决生物质固废资源化成果转化项目中成本高、市场规模小、核心竞争力差的问题，美国14个州建立了可再生能源效益基金，很多州和当地政府也通过税收减免、低息贷款和其它的财政手段鼓励生物质能产品的生产和使用。我国可借鉴美国，通过相应的调息、低息贷款等财政措施鼓励企业对木质纤维素类生物质固废的生产、销售；借鉴欧盟有关的政策、法令，例如《欧盟交通生物质燃料法令(2003)6》，为木质纤维素类生物质固废的开发利用创造有利的市场环境。

(4) 建立政府部门之间有效的协调机制，积极鼓励高等科研院校的研究工作，努力为各大科研院校提供更广泛的合作平台，实现科研成果向产业化、规模化生产的转变。

虽然我国与欧盟、美国、日本等国家相比，在木质纤维素类生物质固废处理方面的发展还较落后，但通过政府有效机制的引导，相关高效处理技术以及完善配套的市场供应链的支撑，我国未来在木质纤维素类生物质固废的资源化利用方面成果会越来越好。